Q/V波段通信衛星發展歷程及應用現狀

陳 棋，陳鈺羽

（國家無線電監測中心云南監測站，云南 昆明 650031）

0 引言

隨著各國航天工業迅猛發展和用戶需求驟增，對通信衛星系統提出大通信容量、高數據傳輸速率和超寬帶的需求，衛星頻譜和軌道資源的需求也不斷增加，通信衛星常規使用的C和Ku等微波資源趨于飽和，未來衛星通信亟須向Q/V、太赫茲以及激光等更高頻段擴展。同時由于Q/V頻段衛星通信具有高帶寬、波束定向性好、干擾源少等優勢，已成為下一代超高通量衛星系統的關鍵技術。

1 Q/V頻段通信衛星系統概述

Q/V頻段電磁波屬于毫米波，Q頻段范圍為30~50 GHz，V頻段則和50~75 GHz相對應，低端頻段有部分與Ka頻段（26.5~40 GHz）重疊[1]。Q/V頻段通信衛星系統電磁波具有空間傳播方向性好、干擾少、傳播穩定等特點，適用于高速率、大容量數據傳輸的通信衛星。Q/V頻段通信衛星系統如圖1所示[2]。

圖1 Q/V頻段通信衛星系統

2 Q/V頻段通信衛星應用場景

由于Q/V頻段通信衛星具備通信容量大、覆蓋范圍廣、運行成本低等獨特的技術優勢特點，其應用場景也在不斷地深化和拓展。

關口站鏈路通信。目前正在運行的高通量衛星和已規劃的非靜止軌道衛星，主要采用Q/V波段作為饋線鏈路和Ka波段作為用戶鏈路，改變了采用Ka頻段作為關口站鏈路的傳統通信方式，釋放出的Ka頻段用于用戶終端通信[3]，有效提高了傳輸速率。

星間鏈路通信。目前絕大多數的非靜止軌道衛星星座都以星間鏈路為主，除采用激光通信之外，V頻段星間鏈路通信衛星早在Milstar星座系統中得以應用，選擇Q/V頻段作為星間鏈路通信具備很強的技術優勢和吸引力[3]。

地面移動網絡回程。Q/V頻段作為ETH頻段探索使用最前沿，如突破了衛星通信和地面5G移動通信融合的技術壁壘，將有效發揮其高通量數傳特性，可實現NGSO衛星的大容量地面網絡數據回傳[1]。

超高速率寬帶互聯網接入。可通過Q/V頻段衛星直接接入超高速衛星寬帶互聯網，提供20 Mbps以上的業務傳輸速率和應用于基站數據回傳業務、8K超高清新聞采集、8K超高清視頻點播等業務[1]。

3 Q/V頻段通信衛星的發展現狀與趨勢

3.1 國外Q/V頻段通信衛星發展現狀

Q/V頻段通信鏈路受天氣因素影響較大，且預算龐大，最初僅應用于軍用衛星通信領域。最具代表性是始于20世紀80年代的美軍“軍事星”（Milstar）系統，是全球首個應用EHF、快跳頻等新技術的衛星系統。該系列衛星裝有2副1.8米V頻段星間鏈路天線，其主力頻段是星地通信40 GHz頻段和星間通信60 GHz頻段，數據傳輸速率為10 Mbps。在Milstar系統引領下，美軍之后也研制了“先進極高頻”（AEHF）GEO衛星星座系統，其星間鏈路通信頻率仍為60 GHz，系統也配備了用于高速數據傳輸服務的Q頻段通信載荷[3]。

圖2 “先進極高頻”（AEHF）衛星示意圖

隨著電路集成工藝的不斷發展，Q/V頻段通信衛星從成熟的軍事領域轉入商用衛星市場。20世紀90年代末，美國提出了用于商業寬帶服務的Q/V頻段的衛星系統研制計劃。歐洲衛星工業界也相繼開展了多項Q/V頻段載荷的研究工作，2013年意大利航天局（ASI）發射了Alphasat衛星，衛星搭載了歐洲首個Q/V頻段通信載荷TDP5（Technology Demonstration Payload5），其載荷包含3個點波束、2個可切換的轉發器通道，可以在波束間動態切換無線電波信號，實現與地面多個信關站間的智能分集[3]。同時ASI還啟動了Q/V頻段高通量系統地面部分連接試驗（Q/V-LIFT）項目，該試驗主要用于評估Q/V頻段星地通信可行性，摸清惡劣天氣對系統性能的影響，為未來打造GEO衛星的寬帶通信模式提供數據依據[2]。

2016年3 月，歐洲通信衛星公司（Eutelsat）和勞拉空間系統公司（SSL）合作開展通信測試，測試證明了Q/V頻段（40~50 GHz）具有推動未來太比特衛星寬帶計劃執行的潛力，Eutelsat公司因此成為首家成功完成Q/V波段通信測試的商業運營商[4]。

2019年6 月，FCC批準休斯公司（Hughes）建造、運行下一代甚高通量衛星，命名為休斯-95W（HNS-95W），容量高達500 Gbps，是全球首顆提供Q/V頻段通信服務的商業衛星[4]。

3.2 國內Q/V頻段通信衛星發展現狀

歐美國家在Q/V頻段衛星通信技術日漸成熟，相比而言，我國相關技術研究還處于初級階段，但我國政府高度關注該技術的發展，“十四五”國家重點研發計劃“多模態網絡與通信”重點專項中提出，將研究Q/V頻段寬帶星載相控陣多波束天線技術，以推動我國Q/V頻段通信產業發展的需求，衛星通信企業也不斷加大Q/V頻段通信產業的研發力度。

圖3 銀河航天02批衛星在軌模擬圖（來自銀河航天）

銀河航天（北京）科技有限公司作為我國Q/V頻段衛星研制的技術先鋒，于2020年1月完成了Q/V頻段通信衛星的在軌通信試驗，并成功實現了Ka/V/Q頻段星地鏈路通信[5]。2020年3月，航天科技集團五院開展了Q/V甚高通量載荷在軌測試，首次成功實現了基于Q/V頻段饋電技術的同步軌道高通量寬帶衛星星地通信系統試驗[6]。2022年，銀河航天公司發射了我國首次批量研制的低軌寬帶通信衛星，成功實現了V頻段低軌衛星測控[7]。

3.3 Q/V頻段通信衛星發展趨勢

從國內外各大運營商、研究機構開展的測試結果來看，Q/V頻段通信載荷具備超寬帶、大容量、低成本等突出優勢，是新一代高通量寬帶衛星的最佳選頻[8]。與此同時，由于Q/V頻段頻率高，受到雨衰的影響較大，路徑損耗非常大，天線需在超高帶寬下提供高增益和高效率，研究高穩定性、抗雨衰的通信鏈路和關鍵射頻器件，都將成為Q/V頻段的主要技術發展方向[9]。

4 結束語

本文介紹了Q/V頻段衛星通信系統、國內外發展現狀和主要應用場景，相對于低頻頻段，Q/V頻段頻譜資源豐富，正處于開發階段，天線波束方向性強，在軍事及商業領域備受重視，也是高通量寬帶衛星通信的未來發展方向。然而，Q/V頻段衛星通信受雨衰影響較大和毫米波器件制作工藝復雜等原因，制約了該技術的發展。近年來，隨著天線設計和射頻器件制造等工程化應用不斷開發，歐美國家的Q/V頻段載荷技術日趨成熟，越來越接近實用推廣階段。我國的相關技術研究尚處于起步階段，也應繼續加強Q/V頻段基礎專題研究，為后續國內研制超大容量通信衛星打下堅實基礎。■